بحث تطبيقي لتبريد القنوات الدقيقة في IGBT

تبريد القنوات الدقيقة هو حفر قنوات مجهرية على الركيزة. يتم نقل الحرارة بعيدًا عن طريق سائل العمل المتدفق في القناة الدقيقة بعد إجراءه عبر الركيزة. إنها طريقة تبريد فعالة ولها آفاق تطوير كبيرة في مجالات تبريد رقاقة الكمبيوتر الإلكترونية والفضاء وغيرها من المجالات. منذ طرح هذا المفهوم، أصبح محل اهتمام واسع النطاق من قبل العلماء في الداخل والخارج، ولكن آلية نقل الحرارة للقنوات الدقيقة معقدة نسبيًا ولم يتم توضيحها بعد. من أجل استكشاف آفاق تطبيق تكنولوجيا تبريد القنوات الدقيقة في مجال الإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية الدقيقة، تم تحليل وتقييم الأبحاث الحالية.

1. هيكل حجم Microchannel

تعد معايير التمييز بين القنوات الكلية والجزئية موضوعًا مهمًا للغاية. وهذا لا يؤثر فقط على تصميم قناة البحث النظري، ونطاق تطبيق الارتباط، وما إلى ذلك، ولكن له أيضًا أهمية توجيهية مهمة لاختيار ومعالجة حجم القناة في التطبيقات العملية. أجرى العلماء الأوائل الكثير من الأبحاث حول الفرق بين القنوات الصغيرة والقنوات التقليدية. يوفر KANDLIKAR نطاق القطر لأنواع مختلفة من القنوات بناءً على القطر الهيدروليكي. ومع ذلك، أشار تقرير THOME إلى أنه ليس من المعقول تمامًا التمييز بين المقاييس الجزئية والكلية بناءً على حجم القناة فقط، ولكن يجب أخذ خصائص السوائل في الاعتبار في نفس الوقت. لأن هناك العديد من العوامل التي تتغير وتؤثر على التدفق مع انخفاض قطر القناة. من أجل التمييز بين القنوات الصغيرة والقنوات التقليدية، طرح بعض الباحثين معايير مختلفة لتعريف القنوات الصغيرة.

يوضح الجدول 1 طريقة التقسيم المعتمدة على القطر الهيدروليكي للقناة. تم اقتراح طريقة التقسيم هذه بواسطة LEE وKANDLIKAR et al. تتناول هذه المواصفة القياسية بشكل شامل تطبيق المبادلات الحرارية وتكنولوجيا التصنيع الميكانيكية في ذلك الوقت، وتوفر المراجع المقابلة.

في غليان التدفق، لم تشكل العتبة من قناة الميكروسكل إلى القناة الميكروسكيل معيارًا مقبولاً بشكل عام. وقد لخص بعض العلماء البيانات التجريبية للتدفق على مرحلتين للقنوات الدقيقة (100 ميكرومتر ≥ D ≥ 4.2 مم) وسوائل الاختبار المختلفة (الماء منزوع الأيونات، FC-72، H2O، R11، وما إلى ذلك). استناداً إلى تحليل الدراسات ذات الصلة، خلص إلى أن العتبة من قناة النطاق الكلي إلى قناة النطاق الصغير ترتبط بقطر الهروب من الفقاعة وتجميع الفقاعات، وتعريف الحدود بين المقياس الكلي والمقياس الصغير يحتاج إلى النظر في حد الفقاعة. من وجهة نظر القوة، يتم التحكم في انفصال الفقاعات أثناء تدفق الغليان في أنبوب عن طريق التوتر السطحي والطفو. اقترح بعض العلماء طريقة القسمة باستخدام رقم التقييد (Co، Confinement Number). يمثل رقم Co الحجم النسبي للتوتر السطحي والجاذبية في القناة. عندما يكون Co > 0.5، تختلف خصائص نقل الحرارة والتدفق بشكل كبير عن تلك التي لوحظت في القنوات الكبيرة. ولذلك، يمكن اعتبار Co > 0.5 معيار تقسيم القنوات الدقيقة. تعد طريقة التقسيم هذه لاقتباس الرقم الحد Co ممثلًا نموذجيًا لطريقة تقسيم القنوات الصغيرة التي يتم الحكم عليها من خلال تحليل قوة الفقاعة، ويتم اقتراحها بناءً على ظروف تجريبية معينة. تختلف المعايير التي يتم الحصول عليها في ظل ظروف تجريبية مختلفة، لذلك يتم استخدامها بشكل عام كمرجع للبحث النظري في ظل ظروف تجريبية مماثلة.

في الوقت الحاضر، في مجال التطبيقات الصناعية، من المعتقد على نطاق واسع أن القنوات ذات القطر الهيدروليكي D ≥ 1 مم يمكن أن تسمى قنوات صغيرة.

إن هيكل القناة الدقيقة له تأثير كبير على أداء نقل الحرارة للقناة الدقيقة. يعد التصميم الهندسي المعقول للقنوات الدقيقة هو المفتاح لتحسين نقل الحرارة. أجرى الباحثون الكثير من الأبحاث حول هياكل القنوات الدقيقة، والتي تتضمن تصنيع قنوات صغيرة مختلفة، وأنماط التدفق، وخصائص انخفاض الضغط، وخصائص نقل الحرارة تحت هياكل القنوات المختلفة.

بدءًا من أول بنية قناة سيليكونية متوازية متعددة القنوات مقترحة، قام الناس بدراسة بنية وشكل القنوات الدقيقة المختلفة لتحسين أداء نقل الحرارة. فيما يتعلق بالأشكال المستعرضة للقنوات الدقيقة، اكتشف العلماء القنوات الدقيقة ذات الأشكال المستعرضة مثل الأشكال الدائرية والمثلثية والمستطيلة وشبه المنحرفة، وقاموا بتحليل أداء تبديد الحرارة تحت أشكال مقطعية مختلفة. وقد وجد أن الاختلاف في شكل المقطع العرضي له تأثير كبير على أداء تبديد الحرارة. بالإضافة إلى المقاطع العرضية المنتظمة الشكل، درس العلماء أيضًا الهياكل غير المنتظمة الشكل، مثل القناة الدقيقة المقعرة في المقطع العرضي، والتي تسمى BCT (تقنية القناة المدفونة). يتم تصنيعها باستخدام تقنية معالجة القنوات المدفونة على ركيزة من السيليكون. يبلغ عمق الأخدود وعرضه 75 ميكرومترًا و5 ميكرومترًا على التوالي، مما يوفر مسارًا جديدًا لتدفق السوائل في القناة الدقيقة. اقترح بعض العلماء نوعًا جديدًا من القنوات الدقيقة ذات أخاديد مقعرة على الجدار الجانبي، بحجم هندسي يبلغ 200 ميكرومتر × 253 ميكرومتر. القنوات غير متصلة ببعضها البعض. تظهر النتائج التجريبية أن القنوات الدقيقة ذات الأخاديد يمكن أن تعزز نواة الفقاعات وتزيد بشكل كبير من تدفق الحرارة الحرج. فهو يساعد على تخفيف عدم استقرار نمو الفقاعات السريع ويخفف من عدم استقرار غليان السوائل. لقد صمم بعض العلماء قناة صغيرة مسامية معادة الدخول مع قنوات دقيقة على شكل Ω باستخدام تقنية تلبيد المسحوق، والتي تسمى RPM (القنوات الدقيقة المسامية المعادة الدخول). القطر الهيدروليكي 786 ميكرومتر. تظهر التجارب أن الهيكل يمكن أن يحسن بشكل كبير أداء نقل الحرارة لتدفق أحادي الطور وتدفق على مرحلتين، ويمكن أن يقلل من عدم استقرار التدفق على مرحلتين. أجرى بعض العلماء تحليلًا رقميًا ثلاثي الأبعاد وتحسينًا لمعلمات أخاديد الجدار الجانبي للقناة الصغيرة، وحصلوا على أخدود شبه منحرف بنسبة طول طرف الأخدود تبلغ 0.5. تتمتع القناة الدقيقة ذات نسبة عمق الأخدود 0.4، ونسبة ميل الأخدود 3.334، ونسبة اتجاه الأخدود 0، بأفضل أداء لنقل الحرارة وأقل مقاومة للتدفق. من أجل تحسين التدفق داخل القناة الدقيقة وتحسين أداء نقل الحرارة، قام الباحثون أيضًا بتصميم العديد من المبادلات الحرارية ذات القنوات الدقيقة بأشكال مختلفة لقنوات التدفق، مثل الشكل المموج، وشكل الزعنفة الدبوسية، والزعنفة المائلة الأسطوانية، والزعنفة المتداخلة، والزعنفة المزدوجة، وما إلى ذلك. التبادل الحراري للقنوات الدقيقة مثل الطبقات والمبادلات الحرارية ذات القنوات الدقيقة مع تجاويف صغيرة، وما إلى ذلك. كما أجرى العلماء أبحاثًا على بعض قنوات التدفق ذات الهيكل الخاص، ووجدوا أن استخدام بعض قنوات التدفق ذات الهيكل الخاص قد يكون لها تأثير تعزيز نقل الحرارة. على سبيل المثال، تم تحسين القناة الدقيقة الخطية، واقتراح قناة صغيرة ذات مقطع عرضي مستطيل. تظهر نتائج المحاكاة أحادية الطور أن القناة الدقيقة المتموجة يمكن أن تولد تيارات دوامية، وتحسن معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري، ولها انخفاض ضغط أصغر من القناة الدقيقة الخطية. توضح هذه الدراسة أيضًا أن تغير السعة النسبية على طول اتجاه التدفق ليس له تأثير كبير على ضغط وكفاءة القناة الدقيقة. يمكن أن يؤدي تقليل الطول الموجي للقناة الدقيقة للموجة إلى جعل توزيع درجة حرارة المعدات أكثر اتساقًا وتقليل توليد الحرارة الزائدة المحلية. تم تصنيع ثلاثة أنواع من شبكات القنوات الدقيقة المسامية المترابطة عن طريق تلبيد مسحوق النحاس وتصنيع الأسلاك الكهربائية بالتفريغ. في الاختبار، خلص إلى أن القناة الدقيقة المترابطة المسامية 0.4 مم تتمتع بأفضل أداء لنقل الحرارة والقدرة على تخفيف عدم استقرار التدفق على مرحلتين. بالإضافة إلى ذلك، قام بعض العلماء بتصميم طوبولوجيا القنوات الدقيقة الإلكترونية، مثل طوبولوجيا القنوات الدقيقة لعرق الأوراق، وطوبولوجيا شجرة القصبة الهوائية البشرية، وطوبولوجيا شبكة العنكبوت، وبنية شبكة الأنهار، وبنية قرص العسل، وبنية الوريد الجناحي للحشرة.

وفقًا لنتائج الحساب العددي، مقارنةً بالشريحة المستطيلة، باستثناء بنية شبكة النهر، فإن البنية الطوبولوجية لكل قناة دقيقة للمحاكاة الحيوية تتمتع بقدرة أقوى على تبديد الحرارة من القناة الدقيقة المسطحة المستطيلة العادية. ومع زيادة كثافة التدفق الحراري للرقاقة، يصبح الفرق في قدرة تبديد الحرارة لمختلف هياكل القنوات الدقيقة أكثر وضوحًا. ولذلك، في تطبيق رقائق كثافة تدفق الحرارة العالية، فإن طوبولوجيا القنوات الدقيقة لها تأثير كبير على تأثير تبديد الحرارة للرقاقة. وفقًا للتجارب، فقد وجد أن هيكل شبكة العنكبوت يتميز بمزايا مساحة السطح الكبيرة الخاصة بتبديد الحرارة، ومعامل نقل الحرارة الحراري العالي، والأداء الجيد لتدفق السوائل. أداء تبديد الحرارة الشامل هو الأمثل، وانخفاض ضغط المدخل والمخرج أقل، والذي له قيمة تطبيق هندسية جيدة.

لقد أثبتت الأبحاث المكثفة حول بنية القنوات الدقيقة الإمكانات الممتازة لتبديد الحرارة وآفاق التطوير الواسعة لتكنولوجيا تبريد القنوات الدقيقة، كما أرست أساسًا متينًا لمزيد من تعميم وتطبيق تكنولوجيا التبريد اللاحقة للقنوات الدقيقة. بالإضافة إلى هيكل الحجم، يعد تغير طور السائل في القناة أيضًا أحد العوامل المهمة التي تؤثر على قدرة القناة الصغيرة على تبديد الحرارة. وفقًا لما إذا كانت مرحلة السائل تتغير أم لا، يمكن تقسيم تقنية القنوات الدقيقة إلى نوعين: التبريد أحادي الطور بالقنوات الدقيقة وتبريد الغليان بتدفق القنوات الدقيقة (على مرحلتين). في ما يلي، يتم مراجعة وتحليل الدراسات الموجودة على القنوات الصغيرة أحادية الطور والمرحلتين.

2. Microchannel S أحادية الطور C ooling Tتقنية

التبريد أحادي الطور يعني أن وسط التبريد يبقى في نفس الحالة (سائل عادة) طوال عملية التبريد، دون غليان أو تكثيف. بالمقارنة مع جهاز (نظام) التبريد أحادي الطور التقليدي، فإن جهاز (نظام) التبريد أحادي الطور ذو القناة الصغيرة لديه مساحة أكبر لنقل الحرارة وتأثير صغير الحجم تحت نفس الحجم، وأداء تبديد الحرارة الإجمالي أقوى. يمكن ملاحظة أن الماء هو محور البحث التجريبي أحادي الطور للقناة الصغيرة. في الوقت الحاضر، هناك توقعات كبيرة لتطبيق تكنولوجيا تبريد القنوات الدقيقة في مجال تبريد الرقائق الإلكترونية. لذلك، تستخدم العديد من الدراسات التجريبية الرقائق الإلكترونية بشكل مباشر كمصادر للحرارة لتحليل أداء نقل الحرارة للمشتتات الحرارية ذات القنوات الدقيقة. معظم أطوال القنوات الصغيرة التي تم اختبارها في التجارب تتراوح بين 10-20 ملم.

في المقابل، هناك عدد قليل من الدراسات حول منتجات وحدات IGBT المعيارية. الحجم الإجمالي لوحدة حزمة IGBT كبير نسبيًا مقارنة بالرقائق الإلكترونية للكمبيوتر. عادة ما يكون من الضروري تصميم قنوات صغيرة بطول أكبر من 50 مم، وهو أمر غير مناسب للتبريد أحادي الطور. نظرًا لأن القناة الأطول ستتسبب في اختلاف أكبر في درجة الحرارة بين المدخل والمخرج، فقد تزيد من خطر الانفلات الحراري لوحدة حزمة IGBT بسبب درجة الحرارة غير المتساوية. هذه مشكلة لا يمكن تجاهلها عند تطبيق تقنية التبريد أحادية الطور ذات القناة الصغيرة على الإدارة الحرارية لـ IGBT. أجرى بعض العلماء أبحاثًا حول هذه المشكلة، مثل تطوير مشعاع تبريد سائل متكامل بغرفة بخار ذات قنوات صغيرة لـ IGBTs عالية الطاقة من أجل تعزيز توحيد درجة الحرارة للتبريد أحادي الطور للقنوات الصغيرة. دمج بالوعة الحرارة القناة الصغيرة مع غرفة البخار. من خلال مقارنة المشتت الحراري ذو القنوات الصغيرة المدمج مع المشتت الحراري ذو القنوات الصغيرة البسيط، تم التحقق من الأداء الشامل الممتاز للمشتت الحراري ذو القنوات الصغيرة المدمج. يوفر هذا رؤى مهمة حول تطبيق أحواض حرارة التبريد أحادية الطور ذات القنوات الصغيرة للإدارة الحرارية لـ IGBTs عالية الطاقة.

3. تقنية التبريد بالغليان بالتدفق الصغير (على مرحلتين).

التبريد بالغليان بالتدفق (على مرحلتين) هو في الأساس طريقة تبريد يتم فيها سحب الحرارة من خلال امتصاص الحرارة الانتقالي أثناء غليان تدفق السوائل. بالاعتماد على خصائص نقل الحرارة لغليان التدفق والتأثير الصغير الحجم للقنوات الدقيقة، يتميز تبريد الغليان بالتدفق في القنوات الدقيقة بمزايا هيكل المبرد المدمج، وقدرة نقل الحرارة القوية، ومعامل نقل الحرارة العالي، وتوحيد درجة الحرارة الجيد، وشحن سائل العمل الأقل. . يعد استخدام التبريد بالغليان بالتدفق الصغير أحد الحلول المحتملة الممتازة للتخفيف من الفرق الكبير في درجة الحرارة بين المدخل والمخرج في التبريد أحادي الطور. فيما يلي بعض نتائج الأبحاث التطبيقية للتبريد بالغليان بالتدفق الصغير في مجال الإدارة الحرارية لـ IGBT. بهدف نقل الحرارة المغلي لتدفق القنوات الدقيقة في ظل ظروف الحجم الكبير وكثافة التدفق الحراري العالية لوحدة IGBT، تمت دراسة تأثير اتجاهات التسخين المختلفة على نقل الحرارة المغلي لتدفق القنوات الدقيقة بشكل تجريبي باستخدام R134a كوسيلة تبريد. أظهرت نتائج البحث أن هناك آليتين لنقل الحرارة في القناة الدقيقة: الغليان النووي والغليان بالحمل القسري. أداء نقل الحرارة للتسخين السفلي أفضل من التسخين العلوي. كما أن معدل التدفق الكتلي للسائل في القناة وكثافة التدفق الحراري لسطح التسخين لهما تأثير مهم على درجة حرارة جدار القناة الدقيقة ومعامل نقل الحرارة. ويلخص البحث أيضًا ارتباط انتقال الحرارة المعدل بناءً على البيانات التجريبية، والتي يمكنها التنبؤ بدقة بمعامل انتقال الحرارة عند تسخين الجزء العلوي، بمتوسط ​​خطأ قدره 16.6%. أنشأ بعض العلماء أنظمة تجربة تبريد في ظل قوة الدوران الطبيعية وقوة الدوران القسري المناسبة لوحدات IGBT. تم استكشاف خصائص بدء التشغيل ونقل الحرارة لنظام التبريد بالدوران الطبيعي لوحدة القنوات الدقيقة، وخصائص وقواعد نقل الحرارة المغلي للتدفق لـ R134a في القناة الدقيقة، وتحويل نمط تدفق R134a وتحويل آلية نقل الحرارة في القناة الدقيقة. تم تحسين هيكل القناة الصغيرة بناءً على البيانات التجريبية والبحث النظري. في الوقت الحاضر، هناك عدد قليل من الدراسات ذات الصلة حول تطبيق التبريد بالغليان بالتدفق الصغير على تبديد الحرارة لوحدات IGBT. هناك نقص في الأبحاث حول التصميم الهيكلي للمشتت الحراري المغلي لتدفق القنوات الصغيرة مع هيكل أكبر حجمًا لوحدة IGBT، وطول قناة أطول، وتأثير تبديد الحرارة الفعلي، واختيار معدل التدفق الجماعي تحت كثافات تدفق الحرارة المختلفة. إن التأثير الفعلي للتبريد المغلي بالتدفق الصغير على تأثير تبديد الحرارة وتحسين توحيد درجة الحرارة لوحدة IGBT يحتاج إلى مزيد من البحث والتحقق.

على الرغم من وجود عدد قليل من الدراسات حول تطبيق غليان تدفق القنوات الدقيقة في المجالات ذات الصلة بتبديد الحرارة IGBT، فقد أجرى العلماء أبحاثًا مكثفة حول آلية نقل الحرارة والعوامل التي تؤثر على أداء نقل الحرارة لنقل الحرارة بغليان تدفق القنوات الدقيقة وحققوا نتائج بحثية معينة.

يعد نقل الحرارة بالغليان عبر القنوات الدقيقة أكثر تعقيدًا من نقل الحرارة بالتدفق أحادي الطور، وهناك العديد من العوامل المؤثرة. اتجاه البحث واسع، بما في ذلك تطور نمط تدفق نقل الحرارة المغلي، وديناميكيات الفقاعات، وانتقال الحرارة المغلي وخصائص نقل الحرارة، وموثوقية نقل الحرارة وأبحاث استقرار التدفق. نقل الحرارة المغلي له تفاعل بين الفقاعات والسائل. هناك أنماط تدفق مختلفة داخل القناة، وسوف تؤثر أنماط التدفق المختلفة بشكل مباشر على تأثير نقل الحرارة على سطح القناة الدقيقة، مما يجلب تحديات كبيرة لدراسة آلية نقل الحرارة. يتأثر تدفق انتقال الحرارة المغلي في القنوات ذات النطاق المنتظم بآليتين أساسيتين. إحداها هي الآلية السائدة لغليان النواة المتعلقة بتكوين الفقاعات على سطح الجدار وديناميكيات الفقاعات. والآخر هو آلية يهيمن عليها الحمل الحراري تتعلق بالتوصيل والحمل الحراري من خلال الفيلم السائل. تظهر نتائج الأبحاث الحالية حول أداء نقل الحرارة للقنوات الدقيقة أن تدفق نقل الحرارة المغلي في القنوات الدقيقة له أيضًا تأثير هاتين الآليتين لنقل الحرارة. تعتمد آلية غليان النواة المهيمنة بقوة على تدفق الحرارة، بينما تعتمد آلية الحمل الحراري السائدة بقوة على معدل التدفق الكتلي. العمل المشترك للآليتين يجعل خصائص نقل الحرارة لغليان التدفق معقدة للغاية. بالإضافة إلى التأثير على النطاق الصغير، فإن معظم ارتباطات نقل حرارة غليان التدفق التقليدية ليست كافية للتنبؤ بانتقال حرارة غليان التدفق في القنوات الصغيرة الحجم. من الصعب الحصول على وصف موحد لآلية نقل الحرارة في ظل سوائل العمل المختلفة، وهياكل القنوات المختلفة، وأنماط التدفق المختلفة، وهناك حاجة إلى مزيد من البحث. تم تلخيص نتائج البحث التجريبي للتبريد بالغليان بالتدفق الصغير. أجرى العلماء عددًا كبيرًا من الدراسات التجريبية في ظل سوائل عمل مختلفة وأرقام قنوات مختلفة وظروف عمل مختلفة. يوفر القانون أساسًا تجريبيًا متينًا.

بشكل عام، معظم الأبحاث الحالية هي استكشاف آلية نقل الحرارة كغرض رئيسي. لقد درس العديد من العلماء خصائص نقل الحرارة وآلية غليان تدفق القنوات الدقيقة بطريقة التسخين الموحد. ومع ذلك، فإن الفرق بين مشهد التسخين الموحد ومشهد التسخين غير الموحد مثل وحدة IGBT يجعل خصائص نقل الحرارة لحوض حرارة الغليان لتدفق القنوات الدقيقة المقابل وقد تختلف العوامل التي يجب مراعاتها في التصميم. علاوة على ذلك، فإن تعقيد آلية نقل الحرارة لغليان تدفق القنوات الدقيقة لا يزال يجعل من المستحيل استخلاص استنتاجات مقنعة وواضحة. تختلف خصائص نقل الحرارة المغلي لتدفق القنوات الدقيقة في ظل سوائل العمل المختلفة وهياكل القنوات المختلفة وسيناريوهات التطبيق المختلفة والظروف التجريبية. في الوقت نفسه، لا يهتم تصميم تبديد الحرارة لوحدة IGBT بتوحيد درجة الحرارة بين الرقائق الداخلية فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى مراعاة العلاقة بين توزيع درجة الحرارة للرقائق المختلفة والمواضع النسبية للمدخل والمخرج، والطول المعقول للقناة الدقيقة، والتجفيف الجزئي للسائل في القناة الدقيقة. الظاهرة وغيرها من القضايا. سيكون حل هذه المشكلات هو المفتاح لمزيد من تعميم وتطبيق التبريد بالغليان بالتدفق الصغير في مجال الإدارة الحرارية لوحدات IGBT.